如果把自然界中的物質(zhì)比作一座城堡，那么原子就是搭建這座城堡的“磚”，而原子內(nèi)部的電子軌道則是這座城堡的“傳聲系統(tǒng)”。但對于“傳聲系統(tǒng)”如何運行，各國科學(xué)家多年來始終未找到答案。令人振奮的是，這一長期困擾科學(xué)界的難題已被我國科學(xué)家攻克——北京大學(xué)物理學(xué)院孫慶豐團隊近日與北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院何林團隊合作在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表突破性成果：他們首次在人造原子中實現(xiàn)了軌道雜化，揭示了量子世界中“原子調(diào)音”的奧秘。
“自然界中的物質(zhì)是由原子組成的。在原子結(jié)合構(gòu)成物質(zhì)時，有兩個重要過程：一是原子間形成化學(xué)鍵，二是原子內(nèi)發(fā)生軌道雜化。好比一支訓(xùn)練有素的樂隊，不同樂手不僅要通過相互配合演奏出美妙的和弦(化學(xué)鍵)，每個樂手也要對自己的樂器進(jìn)行調(diào)音與獨奏(軌道雜化)。”孫慶豐告訴記者，此前，各國科學(xué)家已經(jīng)用人造原子模擬了原子間化學(xué)鍵的形成，但原子內(nèi)的軌道雜化卻無法被成功復(fù)現(xiàn)。
針對這一問題，孫慶豐和合作者提出了一種顛覆性策略，即通過調(diào)整人造原子的形狀打破對稱性，進(jìn)而在其內(nèi)部實現(xiàn)軌道雜化。“我們研究發(fā)現(xiàn)，將石墨烯中的人造原子從圓形拉成橢圓形，其中相關(guān)軌道就會發(fā)生雜化，形成全新電子態(tài)。隨后，團隊分別從理論與實驗方面展開研究，結(jié)果相互印證，共同實現(xiàn)了人造原子的軌道雜化。如果說此前人造原子僅能模擬‘合奏’，如今我們便好比首次捕捉到了‘獨奏’的量子音符。”孫慶豐說。
“這一研究還意外揭示了兩個看似迥乎不同的物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系——新的雜化軌道同時包含了‘回音壁態(tài)’和‘原子塌縮態(tài)’。”孫慶豐表示，回音壁是一種聲學(xué)現(xiàn)象，比如在天壇公園的回音壁旁邊喊話，聲音會沿著墻壁傳播;而原子塌縮是量子電動力學(xué)中的預(yù)測，原子序數(shù)過大時，原子會出現(xiàn)失穩(wěn)。“盡管這兩者來自完全不同的研究領(lǐng)域，但在軌道雜化過程中，它們卻奇妙地融合在一起，如同在量子尺度重現(xiàn)了建筑聲學(xué)與核物理的對話。”
“這一研究填補了人造原子領(lǐng)域的歷史空白，為可控研究軌道雜化提供了基礎(chǔ)，也為未來微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了新思路，為構(gòu)建智能材料、人造物質(zhì)提供了全新調(diào)控維度，在量子計算方面有潛在重要應(yīng)用前景。”何林表示，“也許有一天，我們可以像調(diào)音師一樣，精細(xì)地調(diào)控材料內(nèi)部的電子軌道，不僅能‘和弦’與‘獨奏’，更能為電子軌道‘創(chuàng)作樂譜’，進(jìn)而為量子技術(shù)變革與發(fā)展帶來更多可能性。”
《光明日報》(2025年03月05日 12版)
責(zé)任編輯：陸迪
